Исследованию влияния длительного применения удобрений на плодородие различных типов почв посвящено достаточно большое количество работ [1, 3, 4]. Установлено улучшение качества гумуса при применении органо-минеральной системы удобрений. Отмечено, что на минеральном фоне с увеличением доз минеральных удобрений увеличивалось содержание фульвокислот и усиливалась подвижность гумуса, что приводило к снижению его содержания.
Между тем вопросы, связанные с разработкой научных основ повышения плодородия почв, урожайности сельскохозяйственных растений, не могут быть решены без углубленного знания микрофлоры и микробиологических процессов трансформации органического вещества. Являясь одним из важнейших факторов плодородия почв, органическое вещество при современном земледелии с использованием высоких доз минеральных удобрений минерализуется, что приводит к снижению в почве общих запасов гумуса. Это в значительной мере касается и почв Дальневосточного региона, в которых наблюдается снижение энергозапасов почв из-за потерь гумуса.
Основная цель работы – оценить изменения в физико-химических показателях почв и сообществах микроорганизмов, участвующих в процессах разложения органического вещества, а также направленность этих процессов под влиянием различных агроприемов (внесение органических, минеральных удобрений, извести).
Материалы и методы исследований
Объектом исследований явились агротемногумусовые отбеленные почвы (названия приведены согласно современной классификации почв 2004 [5]). Профиль почв дифференцирован на горизонты: PU (0–25 см) – серый, неоднородной окраски, комковатой структуры, среднесуглинистый, с ясным переходом в ELng (25–47 см) – сизо-бурый, много Fe-Mn конкреций, плотный, мелко-комковато-слоистый среднесуглинистый, переход постепенный; BTg (47–102) – сизовато-серо-бурый, призматически-слоистый, много мелких конкреций, плотный, влажный, тяжелосуглинистый; Cg (> 102 см) – охристо-сизая глина, плотная, сырая, обилие Fe-Mn конкреций.
Полевые работы проводились в Уссурийском районе (пос. Тимирязевский Приморского края) на стационарных площадках Приморского НИИСХ в длительном опыте с 1941 года. Опыт заложен на агротемногумусовой отбеленной почве по схеме:
1. Контроль.
2. Навоз240т/га.
3. Навоз240т/гга + известь17т/га + N120P180K180.
4. Известь17т/га + N1605P1905K1215.
5. N2614P 2800K2025.
При изучении физико-химических свойств почв использовали общепринятые методы в почвоведении: рН водный и рН солевой измеряли потенциометрически, гидролитическую кислотность определяли по Каппену, поглощенные катионы по Шолленбергеру, содержание гумуса по Тюрину, обменный калий по Масловой, фосфор по Кирсанову [2]. Оценка содержания гумуса проведена по [8], агрохимических показателей почв по [10]. При исследовании изменений в показателях биогенности и биологической активности почв применяли общепринятые методы в почвенной микробиологии [7]. Показатели эмиссии СО2 исследовали в условиях in exp по Шаркову [11].
Результаты исследования и их обсуждение
Согласно схеме географического районирования исследуемая территория приурочена к лесостепной зоне, а почвы относятся к Приморской юго-западной гидротермической провинции. Для провинции характерны высокие показатели выпадения осадков (до 800 мм), радиационного баланса (52,2 ккал/см2 год) и затрат энергии на почвообразование (44,9 ккал/см2 год) [9]. Процесс гумусообразования в вариантах опыта с длительным применением удобрений, судя по параметрам рНс в горизонте PU, протекал в условиях среднекислой и слабокислой реакции среды (табл. 1).
рН водный варьировал от 5,90 до 6,54 и находился в диапазоне слабокислой реакции среды. Гидролитическая кислотность изменялась от низкой (варианты 1, 2, 3), до незначительной (варианты 4, 5). В составе поглощенных катионов преобладали ионы Са2+ и Mg2+. Во всех вариантах опыта, по сравнению с контролем, зафиксировано возрастание содержания гумуса, которое составило на вариантах
3 – (навоз240 т/га + известь17 т/га + N120P180K180) + + 0,43 %;
2 – (навоз240 т/га) + 0,36;
4 – (известь17т/га + N1605P1905K1215) + 0,16;
5 – (N2614P2800K2025) + 0,11 % (табл. 2).
При этом содержание гумуса согласно градациям [8] соответствовало уровню низких значений. Содержание подвижного фосфора низкое как на контроле, так и на вариантах 2 и 5. Возрастание содержания подвижного фосфора до средних значений установлено на варианте 5 с внесением высоких доз NPK. На варианте 4 (Известь + NPK) количество фосфора в горизонте PU возрастало до повышенных, а на варианте 3 (навоз + известь + NPK) до высоких значений.
Таблица 1
Физико-химические показатели агротемногумусовых отбеленных почв Приморья
|
Варианты опыта |
Горизонт |
Глубина, см |
рН |
Нг*, м-экв./100 г почвы |
Поглощенные катионы по Шолленбергеру, мг-экв./100 г почвы |
||||
|
водный |
солевой |
Са2+ |
Mg2+ |
K+ |
Na+ |
||||
|
1. Контроль |
РU |
0-20 |
6,09 |
5,25 |
3,56 |
17,16 |
8,32 |
0,73 |
1,41 |
|
2. Навоз 240т/га |
6,54 |
5,71 |
2,40 |
19,95 |
7,35 |
0,89 |
1,63 |
||
|
3. Навоз240т/гга + известь17т/га + N120P180K180 |
6,33 |
5,58 |
2,89 |
17,68 |
7,28 |
0,80 |
1,23 |
||
|
4. Известь17т/га + N1605P1905K1215** |
5,99 |
5,21 |
3,96 |
16,64 |
10,40 |
0,99 |
1,88 |
||
|
5. N2614P 2800K2025 |
5,90 |
5,07 |
4,47 |
14,04 |
8,32 |
1,24 |
1,74 |
||
Примечания:
Нг* – гидролитическая кислотность почв;
** – суммарное количество удобрений, внесённых за 1941–2015 гг.
Таблица 2
Агрохимические показатели агротемногумусовых отбеленных почв
|
Варианты опыта |
Горизонт |
Глубина, см |
Гумус, % |
Фосфор по Кирсанову |
Калий по Масловой |
Степень насыщенности основаниями, % |
|
мг/100 г почвы |
||||||
|
1. Контроль |
РU |
0–20 |
3,55 |
0,68 |
34,11 |
88,0 |
|
2. Навоз240т/га |
3,91 |
1,31 |
53,76 |
92,0 |
||
|
3. Навоз240т/гга + известь17т/га + N120P180K180 |
3,98 |
5,88 |
69,47 |
86,0 |
||
|
4. Известь17т/га + N1605P1905K1215 |
3,71 |
4,26 |
61,57 |
86,0 |
||
|
5. N2614P2800K2025 |
3,66 |
3,48 |
55,33 |
83,0 |
||
Содержание подвижного калия на исследуемых вариантах опыта достаточно высокое. На контроле количество его достигало высоких показателей, а на вариантах 2, 3, 4, 5 – избыточных.
Для горизонта PU агротемногумусовых подбелов, при длительном применении удобрений, свойственны высокие показатели степени насыщенности основаниями. Это свидетельствует о низком содержании в почвенном поглощающем комплексе ионов водорода. Низкое содержание гумуса, высокая степень насыщенности основаниями говорит о нехватке свежего органического вещества, необходимого для усиления процессов трансформации органического вещества микрофлорой почв и активизации процессов гумусонакопления.
На необходимость активизации микробиологических процессов указывали и достаточно низкие показатели ферментативной (каталазной) активности почв. Согласно оценочным градациям обогащенности почв каталазой [7], для горизонта PU исследуемых почв, свойственна бедная (варианты 2, 3, 4, 5) и средняя (контроль) обогащенность почв каталазой. Показатели каталазной активности составили на вариантах: 1 (контроль) – 3,2 О2 см3/1 г почвы за 1 мин; 2, 3, 4 – 2,0; 5 – 2,7 О2 см3/1 г почвы за 1 мин соответственно. Таким образом, длительное применение удобрений во многом способствовало снижению ферментативной (каталазной) активности почв.
Внесение извести совместно с минеральными удобрениями (вариант 4), судя по показателям эмиссии СО2 (1,57 г С–СО2 м2/сут) заметно усилило интенсивность разложения органического вещества почвы. На вариантах 3 и 5 продуцирование СО2 составило 1,52 г С-СО2 м2/сут. На контроле и на варианте 2 зафиксировано снижение эмиссии С–СО2 из горизонта PU до 1,43 г С–СО2 м2/сут.
Исследования микрофлоры показали, что большая численность микроорганизмов, утилизирующих органический азот, отмечена на контроле (табл. 3).
Таблица 3
Численность и групповой состав микроорганизмов в длительном опыте с органическими, минеральными удобрениями и известью (тыс. КОЕ на 1 г почвы)
|
Вариант |
Аммонификаторы, (МПА) |
Грибы (среда Чапека) |
Бактерии, использующие минер. азот (КАА) |
Актиномицеты |
Олигонитрофилы (Эшби) |
|
1. Контроль |
24000 |
65,5 |
37800 |
1400 |
32000 |
|
2. Навоз240 |
15650 |
63,5 |
29600 |
800 |
27600 |
|
3. Навоз 240т/га + Известь17т/га + N120 + P180 + К180 |
16500 |
65,5 |
29000 |
1100 |
23400 |
|
4. Известь17т/га + N1605 + P1905 + K1215 |
12600 |
95,0 |
32000 |
1200 |
31600 |
|
5. N2614 + P2800 + K2025 (NPK) |
48200 |
104,0 |
94400 |
300 |
65200 |
Здесь же наблюдается достаточно высокая численность микроорганизмов, развивающихся за счет минерального азота. Эти процессы сбалансированы, и коэффициент минерализации, характеризующий направленность и активность основных процессов круговорота азота, значительно меньше, чем на других вариантах. Это указывает на меньшую интенсивность минерализации растительных остатков (табл. 4). В сохранении и пополнении азота в почве большую роль играет олигонитрофильная микрофлора. Значительное содержание олигонитрофилов на контроле свидетельствует об обеспеченности почвы азотом. Коэффициент эвтрофности (отношение численности микроорганизмов на МПА и КАА) на контроле – 0,63.
Таблица 4
Влияние удобрений на интенсивность микробиологических процессов агротемногумусовой отбеленной почвы
|
Вариант |
Горизонт |
[Гр] / [Акт]•10–2 |
Kмин (КАА/МПА |
Kэвт (МПА/КАА) |
|
1. Контроль |
PU |
4,70 |
1,60 |
0,63 |
|
2. Навоз240 |
7,90 |
1,90 |
0,57 |
|
|
3. Навоз 240 + Из17 + N120 + P180 + К180 |
5,90 |
1,70 |
0,56 |
|
|
4. Из17 + N1605 + P1905 + K1215 |
7,90 |
2,50 |
0,40 |
|
|
5. N2614 + P2800 + K2025 (NPK) |
34,6 |
1,90 |
0,51 |
Примечание. [Гр] – грибы, [Акт] – актиномицеты.
На варианте с навозом содержание всех групп микроорганизмов заметно меньше, чем на контроле. Вероятнее всего, последействие навоза как органического удобрения уже не сказывается. О недостаточной обеспеченности микрофлоры свежим органическим веществом свидетельствует коэффициент эвтрофности равный 0,57.
При этом численность микроорганизмов, развивающихся за счет минеральных источников азота (КАА) и являющихся показателем минерализационных процессов в почве, снижалась по сравнению с контролем. Недостаточная интенсивность микробиологических процессов, вероятно, способствует сохранению гумуса в варианте с навозом (табл. 2), хотя коэффициент минерализации достаточно высокий. Добавление к навозу извести и минеральных удобрений слабо сказывается на развитии микробиологических процессов. Коэффициент эвтрофности на варианте навоз + известь + минеральные удобрения равен 0,56. Некоторое увеличение коэффициента эвтрофности скорее всего происходит за счет присутствия в почве извести и минеральных удобрений, которые сохраняют органические удобрения от быстрой минерализации микроорганизмами, хотя коэффициент минерализации в этом варианте достаточно высокий (1,90).
Очень высокая численность микроорганизмов всех групп в почве отмечена на варианте с минеральными удобрениями. Коэффициент эвтрофности по-прежнему остается относительно высоким (0,51). Ежегодное внесение минеральных удобрений заметно стимулирует развитие всех групп микроорганизмов. Большая численность микроорганизмов способствует интенсивному разложению гумуса, и его содержание оказывается более низким в варианте с одними минеральными удобрениями.
Внесение извести заметно снижает содержание микроорганизмов, хотя и способствует развитию минерализационных процессов. Возрастает численность микроорганизмов, использующих минеральные формы азота (среда КАА), и коэффициент минерализации оказывается самым высоким. Вариант известь + минеральные удобрения имеет самый низкий коэффициент эвтрофности – 0,30, что указывает на слабую обеспеченность микрофлоры свежим органическим веществом и вероятность минерализации гумуса.
На вариантах с внесением минеральных удобрений увеличивалось содержание грибов. На наш взгляд, вероятно, это связано с подкислением почвы. Развитие грибов увеличивалось в ряду: навоз < навоз + известь + NPK < контроль < Известь + NPK < NPK.
Содержание актиномицетов – активных минерализаторов трудноразлагаемого органического вещества существенно изменялось. Наибольшее их количество зафиксировано на контроле и на вариантах 3 (навоз + известь + NPK) и 4 (Известь + NPK).
Резкое увеличение соотношения грибов и актиномицетов [Гр]/[Акт] указывает на снижение окультуренности почв [6]. Это подтверждается значительным увеличением численности микроорганизмов, развивающихся за счет минеральных форм азота (среда КАА) и являющихся показателем развития минерализационных процессов, интенсивность которых определяла высокая доза минеральных удобрений.
Выводы
1. Длительное применение удобрений способствовало возрастанию содержания гумуса. Наибольшее накопление гумуса зафиксировано на вариантах с внесением навоза (3,91 %) и смеси навоз + известь + NPK (3,98 %). Количество подвижного фосфора изменялось от низких (варианты 1, 2, 5) до средних значений (варианты 3, 4). Содержание обменного калия на всех исследуемых вариантах опыта избыточное.
2. Внесение минеральных удобрений и извести (вариант 4) активизировало процессы разложения органического вещества и отразилось в увеличении показателей эмиссии СО2.
3. Отмечались негативные моменты в функционировании микрофлоры – снижался (до низких значений), по сравнению с контролем, уровень обогащённости почв каталазой. Высокое содержание грибов и актиномицетов на варианте 4 (известь + NPK) указывало на глубокие процессы минерализации органического вещества. На варианте с внесением высоких доз NPK прослеживалась тенденция к возрастанию численности аммонификаторов и усиление микробиологических процессов мобилизации азотсодержащих компонентов.
4. Резкое увеличение соотношения грибов и актиномицетов свидетельствовало о снижении окультуренности почв на варианте с внесением высоких доз минеральных удобрений.